Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На первой и второй лекциях мы говорили о том, что у науки есть свои особые методы изучения природы. Изучения т.е познания. Давайте еще раз вспомним какие методы изучения природы существуют: "наблюдение", "эксперимент", "гипотеза". А что такое гипотеза? Гипотеза - это некоторое предположение. Хорошо, проверить справедливость или правильность выдвигаемой гипотезы можно с помощью эксперимента. А если было произведено множество экспериментов и хотите на количественном уровне описать явление природы, то что необходимо построить? Правильно, "теорию". Все выше перечисленное - это методы с помощью которых физики познают мир.
В этой лекции мы поговорим подробнее о том, что входит в формулы на которых строится теория. В них входит та или физическая величина. В физике существует очень много физических величин. Их даже больше, чем букв в греческом и латинском алфавите вместе взятых. Поэтому иногда одной и той же буквой обозначают несколько физических величин. Например символом σ (сигма) - можно обозначить и поверхностную плотность и коэффициент поверхностного натяжения, механическое напряжение и др. Сейчас названные физические величины для Вас загадочны, но к концу этого курса физики, Вы будете знать, что означают данные величины.
Итак сегодня мы поговорим о физических величинах и единицах их измерения.
Как же физики познают мир? А кроме физиков другие люди познают мир? Конечно, совсем не обязательно быть физиком, для того, что бы хорошо ориентироваться в окружающем мире. Когда мы познаем окружающий нас мир, независимо от нашей профессии, мы, например, можем сделать вот что: закрыв глаза, мы можем представить, что было вчера, что ты видел вчера, различные события, различные предметы. Почему это происходит? Потому что у нас в мозгу возникает образ. А откуда в мозгу берется образ? Он возникает в памяти. А за счет чего этот образ попадает нам в память? Какие можно назвать варианты? Благодаря зрению, слуху, обонянию, осязанию и вкусу. Например, мы можем вспомнить вкус какого-нибудь вчерашнего угощения, при этом у нас в голове возникают какие-то образы. Но, допустим, я хочу рассказать, что со мной было, чтобы этот опыт передать другому человеку. Как можно те же самые образы вызвать у другого человека?
Пользуясь словами и языком описать этот образ. Язык в этом плане замечательная вещь, которая позволяет создать образы в мозгу другого, похожие на те образы, которые были в мозгу у Вас. Но не обязательно эти же образы будут такими же точно. Они могут и не возникнуть, если человек с которым Вы хотите поделится своими впечатлениями т.е вызвать у него в мозгу те же образы не понимает языка на котором Вы говорите. Это не означает, что Вы, например, разговариваете на русском или французском, а Ваш собеседник разговаривает на английском или немецком. Нет, можно прекрасно говорить на русском языке, который прекрасно знает Ваш собеседник, но он ничего не поймет. Например, можно сказать следующую фразу:
"Потоком вектора напряженности электрического поля через данную площадку называется физическая величина равная произведению модуля вектора напряженности электрического поля, площади площадки и косинуса угла между направлением вектора напряженности и положительной нормали к площадке".
В этой фразе язык русский, но ничего не понятно. Пока, ничего не понятно, но ближе к концу этого цикла лекции Вам станет все понятно в этой фразе. А вот еще один пример русского языка. Чехов:
"Блины были поджаристые, пористые, пухлые, как плечо купеческой дочки. Подтыкин приятно улыбнулся, икнул от восторга и облил их горячим маслом. Засим он медленно с расстановкой обмазал их икрой. Места на которые не попала икра, он облил сметаной. Подумав немного, он положил на блины самый жирный кусок семги, кильку и сардинку. Потом уж млея и задыхаясь свернул оба блина в трубку крякнул, раскрыл рот..."
слюнки текут от такого рассказа, почему? Потому что в первой фразе, слова, вроде бы русские, но Вы не знаете, что за ними скрывается, а во второй фразе из Чехова Вы знаете о чем идет речь, так вот нам с Вами нужно сделать так, что бы те слова, которые были в первой фразе "научной" были для Вас понятны. Т.е нам необходимо создать научный язык.
Чем отличается научный язык от повседневного? Очень просто, он отличается от обычного языка своей точностью. Вот, например, мы говорим: "чистая вода". Одному человеку представляется вода, которая прозрачная. т.е через нее хорошо проходит свет, но с другой стороны она может быть и не чистой в том смысле, что несмотря на то, что вода прозрачная в ней содержатся различные соли. Например, чистая морская вода, отнюдь не является чистой в химическом смысле. В ней содержатся различные соли. Значит одно и то же понятие "чистая" может различными людьми восприниматься по-разному. Или мы говорим: "сегодня жарко", с одной стороны жарко может быть для жителя, который приехал сюда из Гренландии или откуда-то с севера, но при том же самом состоянии погоды, если мы сюда пригласим жителя Эквадора, то ему тут будет очень холодно. А мы говорим жарко? Так каким же образом можно сделать некое понятие однозначным? Для этого существуют определенные процедуры. Существуют определения различных физических величин, но что такое физическая величина? Как ее можно точно задать? Для этого мы пользуемся чем? Термометром. А что это за устройство? Оно измеряет температуру. Т.е если я своему собеседнику говорю жарко, то это ему еще ничего не говорит, а вот если я ему говорю, что температура в помещении 25 градусов, то это уже является однозначным понятием. Следовательно нам необходимо привлечь числа для описания окружающей природы .Т.е мы вводим различные физические величины.
А что мы делаем перед тем, как сказать о том, какая температура в помещении? Мы смотрим на термометр. А как это называется? Измерение. Говорить о физической величине можно говорить только в том случае, если существует способ ее измерения. Итак, что же такое физическая величина? Давайте пока свободно порассуждаем. Физическая величина это какое-то понятие: жарко, чистая, близко, далеко, но оно это понятие выражено числом, которое было получено в результате измерения. Запишем это более строго в виде определения.
Физическая величина - это физическое понятие, выраженное числом в процессе измерения.
Обратите внимание, что если величину нельзя измерить, то для физики она не представляет интереса.
Еще великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев говорил: "Наука начинается там, где начинают измерять".
Необязательно физическую величину можно измерить считав ее со шкалы физического прибора, кроме этого существуют так же косвенные измерения, но способ получения численного значения обязательно должен существовать. Можно придумать такие физические величины, которые даже физическими не назовешь, если существует способ ее измерения. Например можно ввести такую величину, как "лень". Если есть способ измерить величину человеческой лени, то тогда мы можем говорить о том, что существует некоторая величина. Например, можно придумать такой способ: лень можно измерить в разах. Например нужно вынести мусорное ведро. Петю надо попросить пять раз, а его сестру Машу надо попросить всего лишь один раз. Следовательно, Петя ленивее Маши. И тот и другая в конце концов вынесут мусор, но Петя с пятого раза, а Маша с первого. Но можно придумать и другой способ. Не обязательно в разах. Можно измерять лень в секундах или минутах. Чтобы Петя встал от компьютера и понес выносить мусор надо ждать пять минут, а Маша через тридцать секунд пойдет это сделает. Значит смотрите одну и ту же величину можно измерить разными способами и выразить разными единицами. Точно так же и в физике.
Существует множество единиц измерения одних и тех же физических величин. Давайте рассмотрим те величины, которые Вам уже хорошо знакомы: "длину", "время" и "массу". И составим таблицу представленную ниже.
Выделенные в таблице величины "метр", "секунда", "килограмм" входят в так называемую Международную систему единиц (СИ) по-английски это будет System International (SI). Такая международная организация создана, потому что все страны мира стремятся к унифицированным единицам измерения. Международная система единиц СИ была создана в 1963 году.
В которой
- основной единицей измерения длины является метр;
- основной единицей времени является секунда;
- основной единицей массы является килограмм.
Но кроме этого в физике существуют и другие величины. И вот оказывается есть основные единицы и других физических величин. Например "ампер" - это единица силы тока. Что такое 1А мы узнаем, когда будем изучать электрические явления. "Кельвин" - это единица температуры. В физике температуру изучают не в привычных нам градусах Цельсия или привычных для Американцев градусах Фаренгейта, а измеряют в Кельвинах. Далее, "моль" - это единица количества вещества. Она определяется числом молекул, входящих в данное вещество. Точно так же, когда Вы покупаете семечки на базаре, то измерение количества семечек разве ведут в штуках? Нет, измерение производят в стаканах; яйца продают десятками. Так вот моль - это такой своеобразный стакан, правда, в него входит не количество семечек, а количество молекул, огромное количество, примерно шесть и 23 нуля штук молекул. И такая величина, например, как "Кандела" - это единица силы света. Эта величина используется при изучении световых явлений. Перечисленные выше единицы и представленные в таблице выше являются основными единицами международной системы (СИ)
А теперь представьте себе, что вам нужно произвести какое-то измерение и у вас для этого с собой ничего нет. Давайте посмотрим в ролике ниже, что мы для этого будем делать.
Итак просмотрев ролик запишем определение, что такое измерение.
Измерением - называется сравнение физической величины с однородной величиной, принятой за единицу.
Т.е однородная - это мы сравниваем длину с длиной, время с временем и т.д. Теперь понятно, что величин с которыми мы сравниваем может быть множество: фут, пядь, верста и т.д. Но людям для того, чтобы производить точные измерения нужно договорится о том, что вот "такая-то" например длина является единицей для всех на белом свете. И вот это сделали тогда когда создавали международную систему единиц СИ. Тогда было дано определение, что такое метр. Например, французы в качестве первой меры длины использовали металлическую палку на которой был зафиксирован с помощью рисок отрезок длиной один метр. Но сейчас уже таким методом не пользуются, так как он считается устаревшим и это устройство расположено в музее, как музейный экспонат. А откуда французы узнали, что метр, который они отложили является ровно метром? Т.е расстояние между штрихами на палке является метром? Придумали. Правильно. Лучше сказать, что договорились. И возник этот метр, так: они измерили длину меридиана от полюса до полюса через Париж от полюса северного к полюсу южному с помощью точнейших измерительных методов. Они измерили длину Парижского меридиана разделил ее на сором миллионов и одна-сорокамилионная длины Парижского меридиана была принята ими за метр. Т.е люди договорились, что вот эта длина одна сорокамилионная Парижского меридиана называется метр. И измерив это расстояние они нанесли два штриха на металлическую рейку и получилось устройство для хранения и воспроизведения единицы длины. Как называется устройство для хранения физической величины? Эталон. Запишем.
Устройство для хранения и воспроизведения единицы физической величины называется эталоном физической величины.
Эталон длины - метр, о котором мы говорили выше является самым первым эталоном и, конечно, он не совершенный. Дело в том, что вы знаете, что при нагревании тела расширяются, значит если мы будем нагревать этот эталон, то расстояние между штрихами, наверное, будет увеличиваться, потом этот эталон можно потерять. Поэтому что бы избежать таких ситуации физики постоянно совершенствовали эталоны. И эталон длины сейчас совсем другой и оказывается, что сейчас он совершенно не нужен. Почему? Дело в том, что если вы потеряли эталон - это беда, когда он у вас один, а если эталонов очень много, тогда потерял один и взял другой. Для этого они все должны быть одинаковыми. В этом контексте, атомы какого-то определенного химического элемента все одинаковые. Например атомы криптона одинаковые. Поэтому если вы сделаете эталон используя свойство атомов криптона, то не страшно потерять. Так как криптон можно всегда выделить и сделать эталон. Какое же свойство атомов при этом можно использовать? Оказывается, что при определенных условиях атомы начинают испускать свет, а свет - это волны, а у волны есть такая характеристика, как длина. Упрощенно говоря расстояние между соседними горбами. Так вот длина волны определенных атомов может быть использована в качестве эталона длины. Мы не будем сейчас называть, сколько длин волн в каком атоме и сколько этих атомов, но помните, что такая возможность есть.
Эталон времени - секунда. Когда-то за секунду принималась определенная часть времени в течении которого Земной шар совершает один оборот вокруг своей оси, называемый звездные сутки. Земля вращается равномерно, скажет вам любой астроном XVIII или XVII века. Но астроном XX или XXI века скажет: "нет, извините Земной шар вращается не равномерно". Оказывается, что скорость вращения Земли меняется, более того оказывается, что она меняется периодически в течении времен года. Когда попытались объяснить это оказалось, что листва осенью падает с деревьев, а весной нарастает на деревьях. И ситуация получается такая как в балете на льду. Представьте себе балерину на льду на коньках, которая расставила руки и начала вращаться, а потом если она соберет руки к телу, то скорость ее вращения увеличится. Точно так же, когда деревья сбрасывают листву, листья становятся ближе к Земле и Земля начинает вращаться чуть-чуть быстрее. Весной листья появляются на деревьях и это все равно, что балерина разводит руки - Земля начинает вращаться медленнее. Здесь можно, конечно, возразить, когда в Северном полушарии осень, в южном - весна . Т.е в одном месте листва нарастает, а в другом опадает. Да, это так, но дело в том, что момент период опадания листвы и период появления листвы в разных полушариях не совпадают. А как это обнаружили, если эталоном секунды была определенная часть звездных суток? Очень просто, придумали устройство, которое измеряет время точнее, чем вращение Земного шара - это атомные часы. Опять-таки колебания, происходящие в атомах, приводящие к испусканию электромагнитного излучения имеют определенное время, определенный период. И если отсчитать определенное количество этих колебаний, то можно набрать секунду. Например, договорились, что секунда - это время в течении которого в атомах Цезия происходит определенное количество колебаний, при определенном процессе (переходе между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния). Атомные часы намного порядков точнее. За все время существования вселенной атомные часы могут на одну или всего несколько секунд отстать или уйти вперед. Поэтому сейчас в качестве эталона времени используются атомные часы. Причем, они устроены достаточно просто, поэтому их можно делать в большом количестве. На каждом спутнике GPS навигации летают маленькие атомные часы. И когда вы хотите определить, где вы находитесь вы принимаете информацию о времени, по крайней мере с трех разных спутников GPS. Например, спутник GPS условно передает - "у меня на часах 12 часов". Пока радио волна дойдет до приемника GPS пройдет какое-то время. Это значит, что он "говорит", что у меня 12 часов, а когда в GPS приемник приходит волна, приемник говорит, что у меня сейчас 12 часов и одна микросекунда. И вот эта разница времен позволяет найти расстояние. Почему? Потому что мы знаем скорость с которой распространяются радиоволны или световые волны. В пустоте эти волны распространяются с одной и той же скоростью. Это удивительное свойство,причем, что интересно, что скорость распространения световой или электромагнитной волны в вакууме не зависит от того движется ли источник света или не движется. Движется наблюдатель или не движется. Это один из постулатов или одно из основных положений теории относительности. Поэтому удобно скорость считать эталоном. И вот относительно недавно в 1983 году, договорились, что скорость света - это эталон скорости. Скорость света равна 299792458 метров в секунду (ровно!). Тогда смотрите, что получается, если у вас есть эталон времени, а эталоны времени у нас очень точные и есть эталон скорости, то по скольку мы умножим время на скорость мы получим длину, то мы может получить и эталон длины, т.е получается, что эталон длины нам не нужен. Таким образом, эталон длины можно получить имея эталон скорости и эталон времени. Поэтому эталон длины сейчас особенно и не нужен. Остальные эталоны основных величин системы СИ тоже развивались.
Когда-то эталоном килограмма была масса литра воды при определенной температуре, потом в качестве эталона килограмма приготовили такой эталон в форме цилиндра из платино-иридиевого сплава, который хранится под Парижем в городе Севр вместе с эталоном метра, но который было страшно потерять до не давнего времени. Потому что, если эталон секунды и эталон метра можно воспроизвести, то эталон килограмма не получится. Но в недавнее время "узаконили" способ, который позволяет "потерять" эталон килограмма. Дело в том, что есть такая физическая величина, которая называется постоянна Планка. Мы о ней сейчас много не будем говорить, мы будем ее изучать ближе к концу цикла этих лекций. Постоянная Планка описывает явление микромира. В постоянную Планка, если расписать единицы измерения этой величины подробно входит килограмм, там же есть метр и секунда. Эталоны метра и секунды у нас есть, значит если постоянной Планка присвоить точное значение, как мы это сделали, со скоростью света, то тогда нам не нужен эталон килограмма. И договорились, что постоянна Планка имеет точное значение и это позволяет нам обходится без эталона килограмма.
Аналогично эталон Ампера недавно был обновлен, эталон Кельвина, моля - все эталоны недавно были обновлены. Поэтому, то что мы прочитаем с вами в учебниках об эталонах на самом деле устаревает.
И последнее в этой лекции...Расстояние от Земли до Луны не удобно измерять в метрах, размеры атома не удобно измерять в метрах, поэтому придумали способ получения более мелких и более крупных величин, оставаясь при этом в пределах международной системы измерений СИ. Сделано это было с помощью десятичных приставок, которые делятся на приставки кратности и приставки дольности.
- единицы кратности - это единицы, которые в 10, 100, 1000 раз больше, чем эталонные единицы. Например "дека", "гекто", "кило" и т.д.
- единицы дольности - это единицы в 10, 100, 1000 раз меньше, чем те же эталонные единицы. Например "деци", санти", "милли" и т.д.
Причем стоит отметить интересный факт: приставки кратности имеют греческие названия, а приставки дольности уже латинские.
Ниже приведем таблицу десятичных приставок, которую необходимо выучить для того, что бы в дальнейшем можно было свободно апеллировать этими величинами.
Для более удобного запоминания названия десятичных приставок можно использовать два мнемонических правила:
- если сложить первые две буквы приставок дольности: "милли", "микро", "нано", "пико", "фемто" - то получится "миминапифем"
- если сложить первые две буквы приставок кратности: "кило", "мега", "гига", "тера" - то получится "кимегите"
Приведенная выше таблица в дальнейшем будем нами постоянно использоваться. Например, если вы хотите измерить размер комнаты, то удобно пользоваться метрами, но если вы хотите измерить размер листа бумаги школьной тетради, то метры не удобны, для этого используются сантиметры. Приставка "санти" превращает эталонную величину метр в величину равную одной сотой метра. Если вы хотите измерить расстояние между городами, то удобнее пользоваться километрами. Приставка "кило" - означает тысяча. Поэтому эти приставки надо выучить и единственное, что надо понять, что такое 10^3 (десять в третьей степени) - это 10х10х10. А в таблице десятичных приставок, вы можете встретить 10^-3 (десять в минус третьей степени) - это означает 1/(10х10х10) или 1/10^3 (единица делить на десять в третьей степени). Знак "минус" перед тройкой означает, что 10 в минус 3 степени нужно поставить в знаменатель дроби.
Давайте рассмотрим пример образования величины кратной эталонной с использованием кратных приставок.
А теперь приведем пример образования кратных величин эталонной величины с помощью дольных приставок
В конце лекции давайте рассмотрим задачу: Толщина волоса 0,1 мм. Выразите эту толщину в м, см и мкм.
- 0,1 мм = (0,1/1000)м = 0,1х(1/1000)м=0,1х0,001м = 0,0001 м
- 0,0001 м = 0,01х0,01 м = 0,1 см
- 0,0001 м = 100х0,000001 м = 100 мкм
Давайте подведем итог этой лекции. И так мы узнали, что на основе наблюдения, гипотезы и экспериментов строится теория о том или ином физическом явлении. Теория описывается формулами,которые состоят из тех или иных физических величин. Ввели понятие "научного языка"и конкретизировали понятие "физической величины". Определили, что никакая физическая величина не может существовать, если эту величину невозможно измерить и охарактеризовать одной из единиц измерения. Привели примеры единиц измерения: длины, времени и массы и узнали, что основные единицы измерения собраны в международную систему единиц (СИ). Далее ввели понятие "измерение" и эталоны единиц измерения. Подробнее поговорили об эталонах длины, времени, скорости, массы, а также вскользь упомянули об оставшихся основных единицах измерения, входящих в систему СИ. Далее узнали, что у основных единиц измерения существуют кратные и дольные величины, которые формируют таблицу десятичных приставок. И в конце лекции на примерах привели методики перевода один величин в другие кратные им величины.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, то пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.